(57)【要約】【課題】応答速度が速く、安定に動作するフィードバック制御を行う。【解決手段】出力信号光の強度を測定し、所望の強度となるように、減衰手段の減衰量がフィードバック制御される可変光減衰器において、前記出力信号光の強度に応じた出力レベル測定値を出力する手段（２１２，２１３，２１４，２１５）と、前記出力レベル測定値と出力レベル目標値との誤差に基づいて、制御出力値（Ｘｃ）を出力する手段２２０（３０１，３０２，３０３，３０４）と、前記減衰手段の透過率（Ｘ）と駆動量（Ｉ，Ｖ）との関係を表す非線形関数（Ｘ＝Ｔ（Ｉ），Ｘ＝Ｔ（Ｖ））の逆関数により、前記制御出力値（Ｘｃ）を、駆動量（Ｉｃ＝Ｔ−１（Ｘｃ），Ｖｃ＝Ｔ−１（Ｘｃ））に非線形変換して、前記減衰手段の減衰量を制御する手段２２０（３０５）とを備えた。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力信号光の強度を測定し、所望の強度となるように、減衰手段の減衰量がフィードバック制御される可変光減衰器において、
前記出力信号光の強度に応じた出力レベル測定値を出力する手段と、
前記出力レベル測定値と出力レベル目標値との誤差に基づいて、制御出力値を出力する手段と、
前記減衰手段の透過率と駆動量との関係を表す非線形関数の逆関数により、前記制御出力値を、駆動量に非線形変換して、前記減衰手段の減衰量を制御する手段と
を備えたことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項２】
前記減衰手段は、マッハツェンダ型干渉計により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変光減衰器。
【請求項３】
前記非線形関数は、前記減衰手段の透過率および駆動量の関係を実測した値から算出されていることを特徴とする請求項１に記載の可変光減衰器。
【請求項４】
前記非線形関数は、
【数１】
2007094395.tif 000005
で表され、ここで、透過率Ｘ＝Ｔ（Ｉ）、Ｐは前記マッハツェンダ型干渉計に加えられる駆動印加電力であり、Ｉはマッハツェンダ型干渉計に加えられる駆動電流であり、Ｉｏｎは前記マッハツェンダ干渉計の透過率が最大となるときの駆動電流、Ｐｏｆｆ及びＩｏｆｆは、透過率が最小となるときの駆動印加電力及び駆動電流であることを特徴とする請求項２に記載の可変光減衰器。
【請求項５】
前記制御出力値は、前記出力レベル測定値と前記出力レベル目標値との誤差に基づいて算出された比例項および積分項の和であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の可変光減衰器。
【請求項６】
前記制御出力値は、前記出力レベル測定値と前記出力レベル目標値との誤差に基づいて算出された比例項、積分項および微分項の和であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変光減衰器に関し、より詳細には、可変光減衰器から出力される信号光の強度を測定し、信号光の強度が所望の強度となるようにフィードバック制御される可変光減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重（ＷＤＭ）を用いた光ファイバ伝送路を介して、複数のノードをリング状またはバス状に接続した波長分割多重通信システムが知られている。各ノードには、波長毎に接続を切り替える光スイッチが装備されており、波長パスの構成を容易に変更することができることから、再構成可能光アドドロップ多重（ＲＯＡＤＭ）システムと呼ばれている。各々のノードのスイッチング動作は、一方の光ファイバ伝送路から入力された任意の波長の光信号を、他方の光ファイバ伝送路に出力するスルーモードと、光ファイバ伝送路から入力された任意の波長の光信号をノードに接続された端局装置に出力し（ドロップ動作）、端局装置から入力された任意の波長の光信号を光ファイバ伝送路に出力する（アド動作）アド／ドロップモードとを有している。このようなスイッチング動作によって、波長パスを、任意のノード間で任意の数だけ設定することができる。従って、波長分割多重通信システムは、トラヒック変動に対して、波長パスの構成を変更することにより柔軟に対応でき、伝送路や端局装置の障害に対して容易に対処できるという特徴がある。
【０００３】
図１に、従来のＲＯＡＤＭシステムのノードの構成を示す。ここでは隣接して接続されている２つのノードを、便宜的にそれぞれ西側ノードおよび東側ノードいい、西側ノードから東側ノードへの信号光の流れを右回り、東側ノードから西側ノードへの信号光の流れを左回りと規定する。右回りの波長多重信号光は、光ファイバ１０５Ｒから前置光増幅器１０４Ｒを介して、光分波器１０２Ｒに入力される。光分波器１０２Ｒは、入力された波長多重信号光を、波長ごとにｎ個の信号光に分離する。光分岐挿入スイッチ１０１Ｒ−１〜ｎは、ｎ個に分離された信号光それぞれに対して、スルーモードまたはアド／ドロップモードで動作する。光合波器１０３Ｒは、光分岐挿入スイッチ１０１Ｒ−１〜ｎからの光信号を波長多重信号光に多重する。波長多重信号光は、後置光増幅器１０６Ｒを介して光ファイバ１０７Ｒから東側ノードへ出力される。左回りの波長多重信号光は、図の符号をＲからＬに変えて、同様に説明することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図２に、従来の光分岐挿入スイッチの機能を示す。光分岐挿入スイッチ１０１Ｒ−１〜ｎ，１０１Ｌ−１〜ｎ（以下、Ｒ，Ｌを省略し１０１−１〜ｎまたは添字を省略し１０１と記載する）は、２入力２出力光スイッチであり、２つの入力ポート（Ｉｎ，Ａｄｄ）と２つの出力ポート（Ｏｕｔ，Ｄｒｏｐ）とを有する。スルーモードでは、ＩｎポートとＯｕｔポートが接続され、アド／ドロップモードではＩｎポートとＤｒｏｐポートとが接続され、ＡｄｄポートとＯｕｔポートとがそれぞれ接続される。
【０００５】
図３に、従来の光分岐挿入スイッチの詳細な構成を示す。光分岐挿入スイッチ１０１は、Ｉｎポートから入力された信号光を、Ｄｒｏｐポートまたは可変光減衰器（ＶＯＡ）１２２に分岐する光スイッチ１２１と、ＶＯＡ１２２の出力とＡｄｄポートに接続されているＶＯＡ１２３の出力とを選択する光スイッチ１２４とを含む。さらに、光分岐挿入スイッチ１０１は、ＶＯＡ１２２，１２３の減衰量を制御する制御回路（ＣＯＮＴ）１２５と、光スイッチ１２４の出力を分岐する分岐回路１２６と、分岐された出力光をモニタして制御回路１２５にフィードバックする光検出器１２７とを備えている。
【０００６】
光分岐挿入スイッチ１０１は、１枚の石英系光導波路基板により集積されており、光スイッチおよびＶＯＡをマッハツェンダ型干渉計により構成する。この光分岐挿入スイッチ１０１を、右回り（Ｒ）と左回り（Ｌ）にそれぞれｎ個実装することにより、図１に示したノードを構成することができる。
【０００７】
マッハツェンダ型干渉計は、２本の入力導波路に接続された３ｄＢカプラと、２本の出力導波路に接続された３ｄＢカプラとの間を、２本のアーム導波路で接続した構成を有している。一方のアーム導波路上には位相調整用の薄膜ヒータが配置されている。導波路を構成している石英系ガラスの屈折率は、熱光学効果によって、温度により変化するので、薄膜ヒータの通電加熱により、２本のアーム導波路の光路差を任意に制御することができる。このように、光路長差、すなわちマッハツェンダ型干渉計の干渉位相条件を変えることにより、一方の入力導波路より入力された信号光を、いずれかの出力先導波路から出力させたり、任意の分岐比で２本の出力導波路に分岐させたりすることができる。従って、光スイッチとしても、可変光減衰器としても動作させることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３７９６８号公報（第５，６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
マッハツェンダ型干渉計により構成されたＶＯＡを用いた出力レベルの制御は、いずれかの出力導波路から出力された信号光の強度を測定し、測定結果に基づいて、アーム導波路上の位相調整用の薄膜ヒータを制御するフィードバック制御が一般的である。
【００１０】
しかしながら、マッハツェンダ型干渉計により構成されたＶＯＡにおいて、薄膜ヒータに通電する電流値と、一方の出力導波路から出力される信号光の減衰量とは、比例関係にはない。詳細には、薄膜ヒータに通電する電流値の大きさにより、単位電流当たりの信号光の減衰量が変化する。すなわち、フィードバック制御における基準ループゲインが、ＶＯＡの制御によって、動作点が変わるたびに変化してしまう。
【００１１】
制御理論でよく知られるように、基準ループゲインは、フィードバック制御における制御特性、言い換えると伝達周波数特性、応答速度に大きく影響する。一般的に、基準ループゲインが大きい場合には応答速度が速くなる。しかし、基準ループゲインが過大になると、伝達周波数特性において、利得１を超える大きなピークを生じ、場合によっては発振現象を起こしてしまう。このため、想定される動作範囲でこのような大きなピークが生じないように、平均的な基準ループゲインを小さく設定しなければならない。これに伴って、応答速度が遅くなるという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、応答速度が速く、安定に動作するフィードバックレベル制御が可能な可変光減衰器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、出力信号光の強度を測定し、所望の強度となるように、減衰手段の減衰量がフィードバック制御される可変光減衰器において、前記出力信号光の強度に応じた出力レベル測定値を出力する手段（２１２，２１３，２１４，２１５）と、前記出力レベル測定値と出力レベル目標値との誤差に基づいて、制御出力値（Ｘｃ）を出力する手段２２０（３０１，３０２，３０３，３０４）と、前記減衰手段の透過率（Ｘ）と駆動量（Ｉ，Ｖ）との関係を表す非線形関数（Ｘ＝Ｔ（Ｉ），Ｘ＝Ｔ（Ｖ））の逆関数により、前記制御出力値（Ｘｃ）を、駆動量（Ｉｃ＝Ｔ−１（Ｘｃ），Ｖｃ＝Ｔ−１（Ｘｃ））に非線形変換して、前記減衰手段の減衰量を制御する手段２２０（３０５）とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、可変光減衰器の減衰手段において、信号光の減衰量に応じて変化するループゲインの非線形特性を補償するように、逆特性を有する非線形変換を行って駆動量を制御するので、基準ループゲインが駆動点に拠らず一定に保たれる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、基準ループゲインが駆動点に拠らず一定に保たれ、常に最適なループゲインでフィードバック制御を行うことができるので、応答速度が速く、安定に動作するフィードバック制御が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態では、可変光減衰器（ＶＯＡ）の減衰手段としてマッハツェンダ型干渉計を用い、信号光の減衰量に応じて変化するループゲインの非線形特性を補償するために、マッハツェンダ型干渉計の薄膜ヒータの駆動電流を決める制御出力値に対して、非線形変換を行い、駆動量として駆動電流値を決定する。
【００１７】
図４に、本発明の一実施形態にかかるＶＯＡの制御回路の構成を示す。マッハツェンダ型干渉計により構成されたＶＯＡ１２２，１２３の出力導波路には、信号光の一部を分岐するための分岐回路２１１が接続され、分岐された信号光をフォトダイオード（ＰＤ）２１２により電気信号に変換する。電気信号を対数増幅器２１３により増幅した後、折り返しノイズを防止する低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２１４を介して、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２１５に入力する。
【００１８】
分岐回路２１１の分岐比、対数増幅器２１３の増幅度等の定数、ＬＰＦ２１４の通過域損失を適切に設定することにより、信号光の強度に応じた出力レベルの測定値［ｄＢ］が、ＡＤＣ２１５からデジタル値として信号処理装置（ＤＳＰ）２２０に出力される。
【００１９】
ＤＳＰ２２０は、出力レベルの目標値［ｄＢ］を入力し、出力レベルの測定値［ｄＢ］との誤差に基づいて、ＶＯＡ１２２，１２３のアーム導波路上の薄膜ヒータを制御するための駆動量として駆動電流値を計算し、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）２２１に出力する。
【００２０】
デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）２２１は、駆動電流値をアナログ信号に変換して駆動回路２２２に入力する。駆動回路２２２は、アナログ信号に応じた駆動電流を、位相調整用の薄膜ヒータに流す。このようなフィードバック制御を行い、マッハツェンダ型干渉計のアレイ導波路の位相を調整することにより、一方の出力導波路から出力される信号光の強度を調整することができる。
【００２１】
ＤＳＰ２２０におけるフィードバック制御について説明する。図５に、本発明の一実施形態にかかるフィードバック制御の方法を示す。フィードバック制御は、公知の比例積分（ＰＩ）制御と、マッハツェンダ型干渉計の特性を修正するための非線形変換とを組み合わせる。
【００２２】
最初に、加算器３０１により、出力レベルの目標値と出力レベルの測定値との誤差Ｅ［ｄＢ］を算出する。誤差Ｅは、比例項を計算する比例項計算部３０２と、積分項を計算する積分項計算部３０３とに入力され、それぞれの出力結果を加算器３０４により加算する。加算された制御出力値Ｘｃ［ｄＢ］は、非線形変換部３０５において、マッハツェンダ型干渉計の特性を修正するために非線形変換されて、駆動電流値Ｉｃ［ｍＡ］としてＤＡＣ２２１に出力される。  
比例項計算部３０２は、比例係数Ｋｐとして、比例項Ｘｐ、
Ｘｐ＝Ｋｐ×Ｅ
を計算する。積分項計算部３０３は、積分係数Ｋｉとして、積分項Ｘｉ、
Ｘｉ＝Ｋｉ×ΔＴ×Ｅ＋ｉ
を計算し、制御出力値Ｘｃ＝Ｘｐ＋Ｘｉを非線形変換部３０５に入力する。
【００２３】
さて、マッハツェンダ型干渉計の透過率Ｘ＝Ｔ（Ｉ）［ｄＢ］は、公知の干渉原理により次式で表わされる。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
ここで、Ｐはマッハツェンダ型干渉計に加えられる駆動印加電力であり、Ｉはマッハツェンダ型干渉計に加えられる駆動電流である。Ｉｏｎはマッハツェンダ干渉計の透過率が最大となるときの駆動電流、Ｐｏｆｆ及びＩｏｆｆは、透過率が最小（理論的には零）となるときの駆動印加電力及び駆動電流である。マッハツェンダ干渉計の光路長差が１／２波長に設計されている場合は、Ｐｏｆｆ＝０及びＩｏｆｆ＝０になる。また、Ｐｓｗは１／２波長の光路長変化をもたらす駆動印加電力である。
【００２６】
非線形変換部３０５は、式（１）の逆関数Ｉ＝Ｔ−１（Ｘ）により、制御出力値Ｘｃ［ｄＢ］から、駆動量である駆動電流値Ｉｃ［ｍＡ］を算出して出力する。これにより、マッハツェンダ型干渉計の非線形特性を補償することができる。ここで、逆関数Ｔ−１（Ｘ）の引数Ｘ［ｄＢ］の取りうる範囲は、Ｔ（Ｉ）の取りうる範囲から分かるように、−∞〜０［ｄＢ］である。従って、Ｘ＝０〜＋∞の場合は、Ｉ＝Ｉｏｎとなるようにしておく。
【００２７】
なお、非線形変換部３０５においては、式（１）のような厳密式で用いなくても、動作範囲での多項式近似式、折れ線近似式を用いても良い。また、薄膜ヒータに通電する駆動電流値と信号光の減衰量とを実測することにより得られたデータを、予めＤＳＰ２２０に格納しておき、ＶＯＡ１２２，１２３を制御するようにしてもよい。
【００２８】
このようにして、非線形変換を行うことにより、駆動回路２２２は、ＶＯＡ１２２，１２３の薄膜ヒータに減衰量に応じた正確な駆動電流を流すことができる。本実施形態によれば、ＶＯＡ１２２，１２３から出力する信号光の減衰量に応じて変化するループゲインの非線形特性を補償するので、基準ループゲインが駆動点に拠らず一定に保たれる。従って、常に最適なループゲインでフィードバック制御を行うことができるので、応答速度が速く、安定に動作するフィードバック制御が可能となる。
【００２９】
本実施形態では、フィードバック制御の基本演算部分にＰＩ制御を用いた。今回の制御対象である石英系のマッハツェンダ型干渉計等からなる可変光減衰器は、典型的な一次遅れ応答を示すデバイスであるため、ＰＩ制御が適当なためである。一方、２次遅れ等の高次応答を示す多くのデバイスを制御する場合には、微分成分も加えるＰＩＤ制御が、主として用いられている。このようなデバイスに、本実施形態を適用する場合には、基本演算部分をＰＩＤ制御に置き換える必要がある。すなわち、微分項Ｘｄとすると、制御出力値Ｘｃ＝Ｘｐ＋Ｘｉ＋Ｘｄを計算し、非線形変換部に入力する。このとき、デバイスの非線形性に応じた非線形変換部を用いれば、基準ループゲインが駆動点に拠らず一定に保たれ、同様の効果を得ることができる。
【００３０】
本実施形態における石英系のマッハツェンダ型干渉計等からなる減衰器も、厳密には、高次遅れ成分を僅かに持っている。従って、ＰＩ制御よりもＰＩＤ制御を用いた方が、演算は煩雑になるものの、性能を向上させることができる。また、必要に応じて、ＰＩＤ制御方式の変形であるＩＰＤ制御方式等、他の制御方式を用いても良い。
【００３１】
本実施形態では、複雑な処理を必要とする非線形変換部を含むので、ＩＣ化されたデジタル信号処理装置により制御演算を行った。制御演算を行う手段として、アナログ演算回路を組み合わせた構成、オペアンプを用いた積分器、比例器、またはダイオードと抵抗とを組み合わせた非線形変換器を用いても良い。
【００３２】
本実施形態では、制御演算をｄＢ単位で行っている。これは、ダイナミックレンジが広く取れるためである。しかしながら、必要に応じてリニアスケールで演算を行っても良い。この場合の特性式は、
【００３３】
【数２】
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【００３４】
となる。このとき、対数増幅器２１３は、通常の線形増幅器を用いる。また、ＡＤＣ２１５の後段に、ｄＢ値をリニア値に変換する演算を行う。
【００３５】
本実施形態では、減衰手段としてマッハツェンダ型干渉計を一段のみ使用した。実際には、減衰手段一段で得られる減衰量には限界があるため、より高い減衰量を得るために減衰手段を複数（Ｎ）段接続した構成を用いても良い。この場合、各々の減衰手段一段当たりの減衰量［ｄＢ］は１／Ｎで済むので、特性式もそれに合わせて読み替えることになる。例えば、式（１）は各マッハツェンダ型干渉計一段の式であるので、Ｎ段の場合には、Ｔｎ（Ｉ）＝Ｎ・Ｔ（Ｉ）となる。ここでは簡単のため、各段のＩｏｎ、Ｉｏｆｆ等のパラメータは、同じであると仮定している。同様に、リニアスケールの場合は、式（２）はＴｎ（Ｉ）＝｛Ｔ（Ｉ）｝Ｎとなる。
【００３６】
また、本実施形態では、減衰手段としてマッハツェンダ型干渉計を用いて説明したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、減衰手段として電気光学効果（ポッケルス効果）を有するバルク結晶を用いた光強度変調器、電界吸収効果（バルク結晶におけるフランツ−ケルディッシュ効果、多重量子井戸構造における量子閉じ込めシュタルク効果）を用いた光強度変調器を適用することもできる。これら光強度変調器は、印加する電圧によって減衰量（透過率）を制御する。従って、光強度変調器の透過率Ｘと印加電圧値Ｖとの関係を表す非線形関数Ｘ＝Ｔ（Ｖ）の逆関数により、制御出力値を、駆動量である印加電圧値Ｖｃ＝Ｔ−１（Ｘｃ）に非線形変換して、減衰手段の減衰量を制御する。このようにして、可変光減衰器に応じた非線形変換を行えば同様の効果が得られることは、言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来の従来の波長分割多重通信システムのノードを示す構成図である。
【図２】従来の光分岐挿入スイッチの機能を示す図である。
【図３】従来の光分岐挿入スイッチの詳細を示す構成図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるＶＯＡの制御回路を示す構成図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるフィードバック制御の方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０１，２０１  光分岐挿入スイッチ
１０２，２０２  光分波器
１０３，２０３  光合波器
１０４，２０４  前置光増幅器
１０５，１０７，２０５，２０７  光ファイバ
１０６，２０６  後置光増幅器
１２１，１２４  光スイッチ
１２２，１２３  ＶＯＡ
１２５  制御回路（ＣＯＮＴ）
２１１  分岐回路
２１２  フォトダイオード（ＰＤ）
２１３  増幅器
２１４  低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
２１５  アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）
２２０  信号処理装置（ＤＳＰ）
２２１  デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）
２２２  駆動回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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